Tecnológico Nacional de México

Campus Tijuana

Ingeniería Mecánica

Nombre del trabajo:

Mecanismos básicos de la transferencia de calor
Materia y grupo:
Transferencia de calor MEF-1032ME6A
Nombre del profesor:
Arroyo Lopez Claudio Armando
Alumnos:
Fonseca Novelo Arturo Enrique C19211440
Grana León Fernando 20210970
Pérez Álvaro Roberto Carlos 20210983
Pérez Bernal Jesús Daniel 20210984
Fecha:
28 de octubre de 2022

Instituto Tecnológico de Tijuana

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Introducción
De la termodinámica podemos saber que; “el calor fluye de un cuerpo caliente a uno
de menor temperatura”, esto es la segunda ley de la termodinámica. Para
entender qué son los mecanismos de transferencia de calor hay que definir los
conceptos de calor y de temperatura.

El calor se define como la energía cinética total de todos los átomos o moléculas de
una sustancia. La temperatura es una medida de la energía cinética promedio de
los átomos y moléculas individuales de una sustancia.

Calor y temperatura, son conceptos que se confunden en el lenguaje cotidiano, pero

son diferentes. La temperatura es una magnitud física que se refiere a la sensación de
frío o caliente al tocar alguna sustancia. La temperatura se mide con termómetros en
escala Celsius o Kelvin entre otras. En cambio el calor, es energía en tránsito; es una
transferencia de energía de una parte a otra de un cuerpo, o entre diferentes cuerpos,
producida por una diferencia de temperatura. El calor siempre fluye de una zona de
mayor temperatura a otra de menor temperatura, con lo que eleva la temperatura de la
zona más fría y reduce la de la zona más cálida, siempre que el volumen de los
cuerpos se mantenga constante. La unidad de calor es la caloría.

Dicho esto queda claro que cuando dos cuerpos que tienen distintas temperaturas
se ponen en contacto entre sí, se produce una transferencia de calor desde el cuerpo
de mayor temperatura al de menor temperatura.

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La transferencia puede darse mediante las tres formas básicas de transmisión de calor
que explicaremos en este documento.

1.1 Conducción
Este tipo de mecanismo de transferencia es particular de los sólidos, pero en
condiciones especiales se puede presentar en líquidos y gases. Al aplicar calor en un
sólido en una de sus caras y medir la temperatura en la cara opuesta a donde se
aplica el calor, se tendrá una temperatura mayor y una temperatura menor. Es el
método más sencillo de entender, ya que consiste en la transferencia de calor entre dos
puntos de un cuerpo que se encuentran a diferentes temperaturas sin que se produzca
transferencia de materia entre ellos.

Los mejores conductores de calor son los metales. El aire es un mal conductor del
calor. Los objetos que son malos conductores como el aire o plásticos se llaman
aislantes.

Ejemplo:
Tengo una barra metálica con un extremo a 80ºC y otro a temperatura ambiente, si no
tengo ninguna otra influencia externa y el extremo caliente se mantiene a 80ºC, habrá
una transferencia de calor por conducción desde el extremo caliente hacia el frío
incrementando la temperatura de este último

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La ecuación que define a este mecanismo es la siguiente:

Como podemos ver, si el valor de 𝐾 es muy grande, la cantidad de transferencia de

calor es muy grande y si el valor es muy pequeño la transferencia de calor a
través del cuerpo será pequeña. A continuación, una tabla donde se presentan
algunos valores del coeficiente de transferencia de calor por conducción.

El coeficiente de conductividad térmica expresa la cantidad o flujo de calor que pasa a

través de la unidad de superficie de una muestra del material, de extensión infinita,
caras plano paralelas y espesor unidad, cuando entre sus caras se establece una

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diferencia de temperatura igual a la unidad, en condiciones estacionarias. La

conductividad térmica es una propiedad intrínseca de los materiales que valora la
capacidad de conducir el calor a través de ellos. El valor de la conductividad varía en
función de la temperatura a la que se encuentra la sustancia, por lo que suelen hacerse
las mediciones a 300 K con el objeto de poder comparar unos elementos con otros.

La conductividad térmica es elevada en metales y en general en cuerpos continuos, y

es baja en los gases (a pesar de que en ellos la transferencia puede hacerse a través
de electrones libres) y en materiales iónicos y covalentes, siendo muy baja en algunos
materiales especiales como la fibra de vidrio, que se denominan por eso aislantes
térmicos. Para que exista conducción térmica hace falta una sustancia, de ahí que es
nula en el vacío ideal, y muy baja en ambientes donde se ha practicado un vacío
elevado.

En algunos procesos industriales se trabaja para incrementar la conducción de calor,

bien utilizando materiales de alta conductividad o configuraciones con una elevada área
de contacto. En otros, el efecto buscado es justo el contrario, y se desea minimizar el
efecto de la conducción, para lo que se emplean materiales de baja conductividad
térmica, vacíos intermedios, y se disponen en configuraciones con poca área de
contacto.

Otro término importante es la conductancia, esta es la propiedad de los materiales para

permitir el paso de calor a través de ellos. Se define como;

El inverso a la conductancia, es la resistencia térmica, la cual es la propiedad de los

materiales para oponerse al paso del calor a través de ellos. Este se define como;

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De esta manera la ecuación que se utiliza para calcular el flujo de calor a través de un
sólido en función a la resistencia térmica es:

Los problemas de transferencia de calor en ingeniería por lo general se clasifican como

estacionarios (estables) o transitorios (no estables o no estacionarios). El término
estacionario implica que no hay cambio en las condiciones de un sistema con el
tiempo, mientras que transitorio implica cambios con el tiempo o dependencia respecto
al tiempo. En el estado transitorio se considera que las condiciones cambian en
diversos puntos con respecto a un período de tiempo, en tanto que en el estado estable
(estacionario) se supone condiciones constantes en un punto e instante de tiempo
determinado, es por ello que en operación estacionaria la temperatura y el flujo de calor
permanecen inalterables con el transcurso del tiempo en cualquier ubicación tratando
superficies isotérmicas

Si el sistema se encuentra en un estado estacionario, es decir, si la temperatura no

cambia con el tiempo, entonces el problema es simple y sólo necesitamos integrar la
ecuación de fourier y sustituir los valores adecuados para resolverla para la cantidad
deseada. Para tratar más de un flujo de calor unidimensional, sólo necesitamos
considerar el calor conducido hacia adentro y hacia afuera de un volumen unitario en
las tres direcciones coordenadas (cilíndricas o esféricas) y tener en cuenta la

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difusividad térmica del material, sin embargo, este análisis de un estado transitorio,a
diferencia de un estado estable, es muy complejo y no concierne por el momento.

1.2 Convección
La convección se define como el calor transmitido en un líquido o en un gas como
consecuencia del movimiento real de las partículas calentadas en su seno. Si este
movimiento es debido al efecto de la gravitación, en virtud de las diferencias de
densidad, se llama convección natural. Si, por el contrario, el movimiento del fluido es
producido por fuerzas exteriores, no relacionadas con la temperatura del fluido, la
convección es forzada.

Ejemplo

● Sistemas de calefacción domésticos: el aire en contacto con un sistema de

calefacción se calienta, para luego subir y desplazar el aire frío, provocando
corrientes de aire.

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Ecuación de Convección.
La transferencia de calor por convección se expresa con la Ley del enfriamiento de
Newton:

Convección atmosférica
La convección en la atmósfera terrestre involucra la transferencia de enormes
cantidades del calor absorbido por el agua. Forma nubes de gran desarrollo vertical
(por ejemplo, cumulus congestus y, sobre todo, cumulonimbos, que son los tipos de
nubes que alcanzan mayor desarrollo vertical). Estas nubes son las típicas portadoras
de tormentas eléctricas y de grandes precipitaciones. Al alcanzar una altura muy
grande (por ejemplo, unos 12 o 14 km) y enfriarse bruscamente por la baja temperatura
atmosférica a dicha altura, pueden producir tormentas eléctricas, granizadas e intensas
lluvias, ya que las gotas de lluvia van aumentando de tamaño al ascender
violentamente y luego se precipitan hacia el suelo bien sea en estado líquido o en
estado sólido.

Cumulus congestus sobre el Museo Cahokia Mounds en Collinsville.

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1.3 Radiación
La radiación es la transferencia de calor por ondas electromagnéticas como la luz
visible, el infrarrojo y la radiación ultravioleta.

Ejemplos.
● La transmisión de ondas electromagnéticas a través del horno microondas
● La radiación ultravioleta solar, precisamente el proceso que determina la
temperatura terrestre.

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Ecuación de Radiación.
La tasa de radiación de energía de una superficie es proporcional a su área superficial
A, y aumenta rápidamente con la temperatura T, según la cuarta potencia de la
temperatura absoluta (Kelvin). El flujo de calor para cuerpos que están calientes a una
temperatura T se define como

H = eAσT 4

Donde es la emisividad del material, que es un número adimensional entre 0 y 1 que

representa la relación entre la tasa de radiación de una superficie dada y la de un área
igual de una superficie radiante ideal a la misma temperatura. La emisividad suele ser
mayor para superficies oscuras que claras. Para un radiador ideal la emisividad tiene
un valor igual a 1. Por otro lado, σ (sigma) es la constante física fundamental llamada
constante de Stefan − Boltzmann, la cual tiene el valor de

σ = 5, 670 × 10−8 W/m2 · K 4

1.4 Analogía Eléctrica

Existe una analogía formal entre las leyes que rigen la conducción eléctrica y las que lo
hacen en la conducción térmica para cuerpos homogéneos e isótropos. A la tensión
eléctrica le corresponde la diferencia de temperaturas; a la corriente eléctrica, el flujo
de calor; a la resistencia eléctrica, la resistencia térmica. Estas magnitudes están
relacionadas entre sí por la ley de Ohm (caso de la electricidad) y por la de Fourier
(conducción térmica) que son formalmente idénticas. Además, las relaciones que
calculan las resistencias equivalentes en las asociaciones de conductores son
isomorfas. En la tabla 1 se ha resumido la analogía formal y estructural de las
ecuaciones que rigen estos dos fenómenos.

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En muchos aspectos, la conducción de calor en los sólidos es similar a la conducción

de electricidad en los conductores eléctricos.

En un conductor, el flujo de electricidad está dirigido por una diferencia de potencial y

del mismo modo, el flujo de calor depende de una diferencia de temperatura. En la
conducción eléctrica, la carga eléctrica se transfiere desde un punto en un conductor a
otro por el movimiento de los electrones.

En la conducción térmica, el calor es transportado desde un punto de un sólido hasta

otro por la vibración de las moléculas del sólido debido a su energía incrementada.

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La conducción de calor se rige por la ley de Fourier que dice que la tasa de
transferencia de calor (Q) entre dos puntos lo suficientemente cercanos en un medio es
proporcional a la diferencia de temperatura entre los dos puntos, (T1-T2) dividida por su
separación (Δx) y la normal del área a la dirección del flujo de calor (A).

La constante de proporcionalidad se denomina coeficiente de conductividad térmica del

material (k). Matemáticamente, esto se puede expresar de la siguiente manera:

Q = k A ( T 1 - T2 )/Δx
donde Q es la tasa de transferencia de calor en vatios.

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El flujo de corriente eléctrica se rige por la ley de Ohm, que establece que la corriente
eléctrica (I) que fluye entre dos puntos en un conductor es igual a la diferencia de
potencial entre los dos puntos (V1-V2), dividida por la resistencia eléctrica entre ellos
(R). La ley de Ohm se puede expresar de la siguiente manera:

I = ( V1 - V2 )/R

Las ecuaciones anteriores sugieren que la siguiente analogía contiene:

La analogía eléctrica utiliza los conceptos desarrollados en la teoría de los circuitos

eléctricos y con frecuencia es llamada analogía entre el flujo de calor y la electricidad.
La combinación L/kA equivale a una resistencia y la diferencia de temperatura es
análoga a una diferencia de potencial.

La ecuación puede escribirse en una forma semejante a la ley de Ohm de la teoría de

los circuitos eléctricos

en donde

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El recíproco de la resistencia térmica se denomina conductancia térmica

Para tres secciones en serie

en donde

1.5 Mecanismos Combinados de Transferencia de Calor

Se mencionó que existen tres mecanismos de transferencia de calor, pero no pueden
existir simultáneamente los tres en un medio. Por ejemplo, la transferencia de calor
sólo ocurre por conducción en los sólidos opacos, pero por conducción y radiación en
los sólidos semitransparentes. Por lo tanto, un sólido puede comprender conducción y
radiación pero no convección. Sin embargo, un sólido puede presentar transferencia de
calor por convección y/o radiación en sus superficies expuestas a un fluido o a otras
superficies. Por ejemplo, las superficies exteriores de un trozo frío de roca se
calentarán en un medio ambiente más caliente, como resultado de la ganancia de calor
por convección (del aire) y la radiación (del Sol o de las superficies circundantes más
calientes). Pero las partes interiores de la roca se calentarán a medida que el calor se
transfiere hacia la región interior de ella por conducción. La transferencia de calor es
por conducción y, posiblemente, por radiación en un fluido estático (sin movimiento
masivo del fluido) y por convección y radiación en un fluido que fluye. En ausencia de
radiación, la transferencia de calor a través de un fluido es por conducción o

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convección, dependiendo de la presencia de algún movimiento masivo de ese fluido. La

convección se puede concebir como conducción y movimiento del fluido combinados, y
la conducción en un fluido se puede concebir como un caso especial de convección en
ausencia de algún movimiento de ese fluido (figura 1-42).

Por lo tanto, cuando se trata con la transferencia de calor a través de un fluido, se tiene
conducción o convección, pero no las dos. Asimismo, los gases son prácticamente
transparentes a la radiación, excepto por algunos gases que se sabe absorben
radiación con gran fuerza en ciertas longitudes de onda. El ozono, por ejemplo,
absorbe intensamente la radiación ultravioleta. Pero, en la mayor parte de los casos, un
gas entre dos superficies sólidas no interfiere con la radiación y actúa de manera
efectiva como el vacío. Por otra parte, los
Los líquidos suelen ser fuertes absorbentes de radiación. Por último, la transferencia de
calor a través del vacío sólo se produce por radiación, ya que la conducción o la
convección requiere de la presencia de un medio material.

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Conclusión
En este análisis que realizamos sobre los mecanismos básicos de la transferencia de
calor, nos quedó claro que existen diferentes tipos de transferencia de energía (calor)
que son dependientes del medio en el que se encuentran y del cuerpo al que se le va a
transmitir incluyendo su temperatura respectivamente. Por lo general estos
mecanismos tienen un fin que todos comparten y es mantener un equilibrio térmico de
las dos o más partes. Y aunque se escuche tan sencillo, a profundidad estos temas
llevan consigo una teoría muy profunda que conlleva a más temas relacionados, estos
temas son parte del temario para la asignatura de transferencia de calor, esto con el fin
de aportar al perfil del ingeniero mecánico la capacidad de resolución a problemas de
transferencia de calor.

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Referencias bibliográficas
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(s. f.). Recuperado 27 de octubre de 2022, de
https://openstax.org/books/f%C3%ADsica-universitaria-volumen-2/pages/1-6-mecanism
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2. Gutiérrez, E. (2020). Resumen unidad 1 Mecanismos de transferencia de calor.
StuDocu. Recuperado 17 de octubre de 2022, de
https://www.studocu.com/es-mx/document/instituto-tecnologico-de-puebla/transferencia-
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3. Mecanismos de Transmisión del Calor - Construmatica. (s. f.). Recuperado 27 de
octubre de 2022, de
https://www.construmatica.com/construpedia/Mecanismos_de_Transmisi%C3%B3n_del
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4. Noguera, I. B. (2021, 16 marzo). Principios básicos de transferencia de calor. Ingeniería
Química Reviews.
https://www.ingenieriaquimicareviews.com/2021/03/principios-basicos-de-transferencia-d
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5. Radiación, conducción y convección: tres formas de transferencia de calor. (2015, 1
febrero). Nergiza.
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calor/
6. TRANSFERENCIA DE CALOR. (s. f.). Física de nivel básico, nada complejo..
Recuperado 27 de octubre de 2022, de
https://www.fisic.ch/contenidos/termodin%C3%A1mica/trasferencia-del-calor/

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